论文部分内容阅读
摘要：我国小高层建筑发展迅速，住宅小高层占据的比例越来越大。小高层的结构体系日趋多样化，如何在设计过程中使结构方案经济合理已成重要课题。
关键词：小高层住宅 结构形式基础设计 优化设计
中图分类号：TU208文献标识码： A
前言：在建筑范畴，习惯上把8—12层的建筑称为小高层。小高层设计时如何把握好合理性，经济性至关重要。在规范允许范围内，合理把握关键部位及次要构件，什么地方应加强，什么地方可以放松，对于整个建筑物保证安全及降低造价影响巨大，这也是我们在今后的设计中要不断提高及改进的。因此，根据建筑功能选择结构受力特性良好、经济性能优越的结构体系方案，成为结构设计人员必须面对的重要内容。
一、小高层住宅结构的基本结构形式
1.1框架结构
框架结构的特点是开间大、灵活性好、抗震性能较好，造价较低，但由于柱截面大于隔墙厚度而造成柱角外凸，影响家具的布置和美观，有时由于住宅中房间分隔的不规则性又造成柱网的难以布置。
1.2框架一剪力墙结构
在框架结构中布置一定数量的剪力墙就组成了框架一剪力墙结构。它是小高层住宅中应用比较广泛的一种主体结构型式。其特点是平面灵活，适用性强，结构合理，能使框架、剪力墙两种有不同变形性能的抗侧力结构很好地协同发挥作用。
1.3大开间剪力墙结构
随着时代的发展和人们生活水平的提高，原来建造的小开间剪力墙体系住宅在建筑功能上的局限性变得日益明显。从强度方面看，小开间结构中墙体的作用不能得到充分的发挥，并且过多的剪力墙布置还会导致较大的地震力，增加工程费用。另外，由于结构自重较大，也增加了基础的投资，因此，大开间剪力墙应运而生。承重墙的开间达到4.5m—7.5m，进深达到7.5m—11m，室内一般无承重的横墙和纵墙，可以按照住户的不同要求灵活分隔，随着家庭的变化还可重新布置。
1.4短肢剪力墙结构
短肢剪力墙（墙肢截面高度与厚度之比为5—8的剪力墙）介乎于异形框架柱和一般剪力墙之间，由于这种结构体系在建筑功能、结构形式、投资效益、节能指标等多方面效果良好，不仅对基础设计有利，而且对结构抗震较为有利,己成小高层住宅的主要结构形式。
二、基础设计
墙下基础优先选择条基，基础持力层宜选择坚硬的中风化岩石，当遇到溶洞时，可采用桩基来处理，值得提出的是，由于墙下基础反力很大，我们需要演算基础的抗剪切承载力。另外，地下室底板长度的设置也须我们研究探讨，由于考虑地下室的使用合理性，常规我们采用设置后浇带来解决底板超长引起的收缩及温度裂缝。后浇带的作用是明显的，但也给施工带来了不少麻烦，甚至由于处理不当而引起后浇带漏水及裂缝。
三、剪力墙设计
3.1布置：剪力墙布置必须均匀合理，使整个建筑物的质心和刚心趋于重合，且x，Y两向的刚重比接近。在结构布置应尽量避免一字形剪力墙，若出现则应布置成长墙(h／w>8)；应避免楼面主梁平面外搁置在剪力墙上，若无法避免，则剪力墙相应部位应设置暗柱，当梁高大于墙厚的2．5倍时，应计算暗柱配筋，转角处墙肢应尽可能长，因转角处应力容易集中，有条件两个方向均应布置成长墙。规范中对普通墙及短肢墙的界定是墙高厚比8倍以下为短墙，大于8倍则为普通墙，这就引起高厚比为7．9倍及8．1倍的两种墙的受力特性截然不同，而配筋亦大相径庭，这显得比较机械而不合理。
3.2配筋及构造：对于小高层住宅来说，剪力墙是面广量大的，因此合理的控制剪力墙配筋对于结构安全及工程的经济性具有十分重要的作用。 剪力墙墙体配筋一般要求水平钢筋放在外侧，竖向钢筋放在内侧。配筋满足计算及规范建议的最小配筋率即可。建议加强区φ10@200，非加强区φ8@200双层双向即可，双排钢筋之间采用中6@600x600拉筋。但地下部分墙体配筋则另当别论。因为地下部分墙体配筋大多由水压力，土压力产生的侧压力控制，而由于简化计算经常由竖向筋控制，此种情况下为增大计算墙体有效高度，可将地下部分墙体的水平筋放在内侧，竖向钢筋放在外侧。地下部分墙体钢筋保护层按《地下工程防水技术规范》规定：迎水面保护层应大于50mm，且在保护层内按《混凝土结构设计规范》规定增设双向钢筋网片。在这种情况下，很多设计人员在进行外墙裂缝验算时有效截面高度仍按保护层50mnn计算，笔者认为是不妥当的。当采取了双向钢筋网片后，计算保护层厚度至少可按30mm来取值，这对节省墙体配筋效果相当明显。
四、小高层住宅框架结构的优化设计
4.1优化设计方法
当前，小高层住宅钢筋混凝土框架结构的优化设主要是应用小高层住宅结构分析软件，采用人工分析进行调整，运用概念设计的方法对不同的结构选型和布置不断的进行方案分析比较，以获得比较理想的结构方案。用概念设计的方法所得的方案是较合理、经济的，虽其费工费时、对设计人员的素质要求较高，但这种依靠设计人员经验进行人工优化的方法仍是当前所普遍采用的主要方法。
对于同一小高层住宅方案，可以有许多不同的结构（包括基础）布置方案；确定了结构布置的小高层住宅物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法；分析過程中设计参数、材料、荷载的取值也不是唯一的；小高层住宅物细部的处理更是不尽相同等等，这些问题目前计算机是无法完全解决的，都需要设计人员自己做出判断。而判断只能在结构设计的一般规律指导下，根据工程实践经验进行，这便是前面所说的概念设计。因此，概念设计存在于设计师对多种备选方案进行选择的过程中。
4.2结构性能分析
⑴抗震性能分析
对结构体系来说足够的承载能力和变形能力是两个同时需要满足的条件。结合概念设计的理念，对上述两种结构体系进行对比分析，电算程序可以采用中国建筑科学研究院编制的结构空间有限元分析软件SATWE。在结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载能力，还要求其有适当的刚度。高层结构的使用功能和安全与其侧移的大小密切相关，过大的侧向变形会使隔墙、维护墙及其饰面材料出现裂缝或损坏。结构分别按考虑5%的偶然偏心和双向地震力作用的不利情况计算出各结构体系层间位移角，剪力墙结构小于框剪结构，但均小于规范要求，且富裕量较大，说明两种结构体系满足刚度要求。
但就使用性能方面，剪力墙结构由于墙体太多，结构自重大，导致了较大的地震作用，混凝土和钢材用量也较高，增加了基础工程的投资，而且限制了建筑上的灵活使用。而框架一剪力墙结构的特点是平面使用灵活，适用性强，结构合理，能使框架、剪力墙两种有着不同变形性能的抗侧力结构很好地协同发挥作用。在水平荷载作用下，具有较纯框架和纯剪力墙结构更为有利的水平变形曲线。由框架构成自由灵活的使用空间，容易满足不同建筑功能的要求；同时剪力墙具有相当大的抗侧移刚度，从而使框一剪结构具有较好的抗震能力，也大大减少了结构的侧移。
⑵经济性比较
通过对三种钢筋混凝土住宅结构直接费的计算，发现三种钢筋混凝土住宅结构单位面积直接费相差不是很多，其中短肢剪力墙结构的单位面积直接费最大，框架一剪力墙结构的单位面积直接费最小，其中短肢剪力墙结构的单位面积直接费比框架一剪力墙结构的单位面积直接费高出12.5%，比大开间剪力墙结构的单位面积直接费高出7.3%，大开间剪力墙结构的单位面积直接费比框架一剪力墙结构的单位面积直接费高出4.9%。三种钢筋混凝土住宅结构的次要项目造价基本相同。
结束语;
掌握小高层住宅各种结构体系的受力性能、工程造价比较，对设计人员是非常必要的。因此在设计时，首先要选择适合的计算软件，合理地选择计算分析方法，确定计算模型和相关参数，并加强对计算结果合理性判断，特别加强概念设计，对一些不利部位采取加强构造措施。所以任何一种结构体系都有它的适用范围，只要能合理设计，安全是应该没有问题的。
关键词：小高层住宅 结构形式基础设计 优化设计
中图分类号：TU208文献标识码： A
前言：在建筑范畴，习惯上把8—12层的建筑称为小高层。小高层设计时如何把握好合理性，经济性至关重要。在规范允许范围内，合理把握关键部位及次要构件，什么地方应加强，什么地方可以放松，对于整个建筑物保证安全及降低造价影响巨大，这也是我们在今后的设计中要不断提高及改进的。因此，根据建筑功能选择结构受力特性良好、经济性能优越的结构体系方案，成为结构设计人员必须面对的重要内容。
一、小高层住宅结构的基本结构形式
1.1框架结构
框架结构的特点是开间大、灵活性好、抗震性能较好，造价较低，但由于柱截面大于隔墙厚度而造成柱角外凸，影响家具的布置和美观，有时由于住宅中房间分隔的不规则性又造成柱网的难以布置。
1.2框架一剪力墙结构
在框架结构中布置一定数量的剪力墙就组成了框架一剪力墙结构。它是小高层住宅中应用比较广泛的一种主体结构型式。其特点是平面灵活，适用性强，结构合理，能使框架、剪力墙两种有不同变形性能的抗侧力结构很好地协同发挥作用。
1.3大开间剪力墙结构
随着时代的发展和人们生活水平的提高，原来建造的小开间剪力墙体系住宅在建筑功能上的局限性变得日益明显。从强度方面看，小开间结构中墙体的作用不能得到充分的发挥，并且过多的剪力墙布置还会导致较大的地震力，增加工程费用。另外，由于结构自重较大，也增加了基础的投资，因此，大开间剪力墙应运而生。承重墙的开间达到4.5m—7.5m，进深达到7.5m—11m，室内一般无承重的横墙和纵墙，可以按照住户的不同要求灵活分隔，随着家庭的变化还可重新布置。
1.4短肢剪力墙结构
短肢剪力墙（墙肢截面高度与厚度之比为5—8的剪力墙）介乎于异形框架柱和一般剪力墙之间，由于这种结构体系在建筑功能、结构形式、投资效益、节能指标等多方面效果良好，不仅对基础设计有利，而且对结构抗震较为有利,己成小高层住宅的主要结构形式。
二、基础设计
墙下基础优先选择条基，基础持力层宜选择坚硬的中风化岩石，当遇到溶洞时，可采用桩基来处理，值得提出的是，由于墙下基础反力很大，我们需要演算基础的抗剪切承载力。另外，地下室底板长度的设置也须我们研究探讨，由于考虑地下室的使用合理性，常规我们采用设置后浇带来解决底板超长引起的收缩及温度裂缝。后浇带的作用是明显的，但也给施工带来了不少麻烦，甚至由于处理不当而引起后浇带漏水及裂缝。
三、剪力墙设计
3.1布置：剪力墙布置必须均匀合理，使整个建筑物的质心和刚心趋于重合，且x，Y两向的刚重比接近。在结构布置应尽量避免一字形剪力墙，若出现则应布置成长墙(h／w>8)；应避免楼面主梁平面外搁置在剪力墙上，若无法避免，则剪力墙相应部位应设置暗柱，当梁高大于墙厚的2．5倍时，应计算暗柱配筋，转角处墙肢应尽可能长，因转角处应力容易集中，有条件两个方向均应布置成长墙。规范中对普通墙及短肢墙的界定是墙高厚比8倍以下为短墙，大于8倍则为普通墙，这就引起高厚比为7．9倍及8．1倍的两种墙的受力特性截然不同，而配筋亦大相径庭，这显得比较机械而不合理。
3.2配筋及构造：对于小高层住宅来说，剪力墙是面广量大的，因此合理的控制剪力墙配筋对于结构安全及工程的经济性具有十分重要的作用。 剪力墙墙体配筋一般要求水平钢筋放在外侧，竖向钢筋放在内侧。配筋满足计算及规范建议的最小配筋率即可。建议加强区φ10@200，非加强区φ8@200双层双向即可，双排钢筋之间采用中6@600x600拉筋。但地下部分墙体配筋则另当别论。因为地下部分墙体配筋大多由水压力，土压力产生的侧压力控制，而由于简化计算经常由竖向筋控制，此种情况下为增大计算墙体有效高度，可将地下部分墙体的水平筋放在内侧，竖向钢筋放在外侧。地下部分墙体钢筋保护层按《地下工程防水技术规范》规定：迎水面保护层应大于50mm，且在保护层内按《混凝土结构设计规范》规定增设双向钢筋网片。在这种情况下，很多设计人员在进行外墙裂缝验算时有效截面高度仍按保护层50mnn计算，笔者认为是不妥当的。当采取了双向钢筋网片后，计算保护层厚度至少可按30mm来取值，这对节省墙体配筋效果相当明显。
四、小高层住宅框架结构的优化设计
4.1优化设计方法
当前，小高层住宅钢筋混凝土框架结构的优化设主要是应用小高层住宅结构分析软件，采用人工分析进行调整，运用概念设计的方法对不同的结构选型和布置不断的进行方案分析比较，以获得比较理想的结构方案。用概念设计的方法所得的方案是较合理、经济的，虽其费工费时、对设计人员的素质要求较高，但这种依靠设计人员经验进行人工优化的方法仍是当前所普遍采用的主要方法。
对于同一小高层住宅方案，可以有许多不同的结构（包括基础）布置方案；确定了结构布置的小高层住宅物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法；分析過程中设计参数、材料、荷载的取值也不是唯一的；小高层住宅物细部的处理更是不尽相同等等，这些问题目前计算机是无法完全解决的，都需要设计人员自己做出判断。而判断只能在结构设计的一般规律指导下，根据工程实践经验进行，这便是前面所说的概念设计。因此，概念设计存在于设计师对多种备选方案进行选择的过程中。
4.2结构性能分析
⑴抗震性能分析
对结构体系来说足够的承载能力和变形能力是两个同时需要满足的条件。结合概念设计的理念，对上述两种结构体系进行对比分析，电算程序可以采用中国建筑科学研究院编制的结构空间有限元分析软件SATWE。在结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载能力，还要求其有适当的刚度。高层结构的使用功能和安全与其侧移的大小密切相关，过大的侧向变形会使隔墙、维护墙及其饰面材料出现裂缝或损坏。结构分别按考虑5%的偶然偏心和双向地震力作用的不利情况计算出各结构体系层间位移角，剪力墙结构小于框剪结构，但均小于规范要求，且富裕量较大，说明两种结构体系满足刚度要求。
但就使用性能方面，剪力墙结构由于墙体太多，结构自重大，导致了较大的地震作用，混凝土和钢材用量也较高，增加了基础工程的投资，而且限制了建筑上的灵活使用。而框架一剪力墙结构的特点是平面使用灵活，适用性强，结构合理，能使框架、剪力墙两种有着不同变形性能的抗侧力结构很好地协同发挥作用。在水平荷载作用下，具有较纯框架和纯剪力墙结构更为有利的水平变形曲线。由框架构成自由灵活的使用空间，容易满足不同建筑功能的要求；同时剪力墙具有相当大的抗侧移刚度，从而使框一剪结构具有较好的抗震能力，也大大减少了结构的侧移。
⑵经济性比较
通过对三种钢筋混凝土住宅结构直接费的计算，发现三种钢筋混凝土住宅结构单位面积直接费相差不是很多，其中短肢剪力墙结构的单位面积直接费最大，框架一剪力墙结构的单位面积直接费最小，其中短肢剪力墙结构的单位面积直接费比框架一剪力墙结构的单位面积直接费高出12.5%，比大开间剪力墙结构的单位面积直接费高出7.3%，大开间剪力墙结构的单位面积直接费比框架一剪力墙结构的单位面积直接费高出4.9%。三种钢筋混凝土住宅结构的次要项目造价基本相同。
结束语;
掌握小高层住宅各种结构体系的受力性能、工程造价比较，对设计人员是非常必要的。因此在设计时，首先要选择适合的计算软件，合理地选择计算分析方法，确定计算模型和相关参数，并加强对计算结果合理性判断，特别加强概念设计，对一些不利部位采取加强构造措施。所以任何一种结构体系都有它的适用范围，只要能合理设计，安全是应该没有问题的。